CN105529613A - 一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，由852nm激光器增益芯片和依次置于增益芯片出光方向上的准直透镜、可旋转的楔形棱镜对、立方分束器、可旋转的全介质薄膜法布里-珀罗滤光片、全反镜以及压电促动器组成；所述准直透镜将激光光束准直后射入外腔腔体内；所述楔形棱镜对绕光轴旋转使得正入射到棱镜镜片垂直表面的入射光束偏转；所述立方分束器将一部分光输出，另一部分光留在腔内振荡；所述法布里-珀罗滤光片可旋转以达到外腔选模的目的；所述全反镜以及PZT的结合可使全反镜沿自身法线方向移动。上述外腔激光器可以极大程度地减少机械振动对频率的影响，避免激光器出现跳摸现象，同时可以实现超窄线宽且波长线性连续可调。

Description

一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器。

背景技术

超窄线宽外腔半导体激光器在原子物理、光谱学、量子信息、相干通信、遥感以及精密测量等技术领域均有广泛的应用，其中852nm超窄线宽外腔半导体激光器主要应用于超高精度原子钟、短程通信等领域。目前最常见的外腔结构主要有两种：光栅型外腔和法布里-珀罗干涉滤波片型外腔。光栅型外腔激光器中，光栅同时起到模式选择器和反射镜的作用，虽然其结构简单，但是外腔对准比较困难，而且光栅对振动十分敏感，不利于激光器的稳频。而基于法布里-珀罗干涉滤波片的外腔激光器，其模式选择器和反射镜是分立的元件，外腔对振动的敏感性相对较小。但是法布里-珀罗干涉滤波片型外腔激光器大都采用运动学支承来调节干涉滤波片以及反射镜等光学元件在外腔中的位置，在进行光路对准时，需要通过运动学支承分别调节干涉滤波片和反射镜的位置和角度，这不仅使外腔光路对准变得复杂，而且还引入了机械振动，严重影响外腔激光器的频率稳定度和线宽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易于实现外腔光路对准、频率稳定度高、线宽超窄的852nm外腔激光器，使用双楔形棱镜改变激光光束的方向以实现外腔光路对准，最大化地降低了外腔系统中的可动部分，减小了机械振动，从而获得高的频率稳定度和超窄的激光线宽，能够应用于铯原子钟、光纤通信等领域。

区别于其他外腔激光器，本发明提出用双楔形棱镜来实现外腔光路对准同时采用立方分束器作为输出耦合器。

一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，该激光器主要包括半导体激光器增益芯片1、准直透镜2、可旋转的双楔形棱镜3、立方分束器4、可旋转的全介质薄膜法布里-珀罗滤光片5、全反镜6、压电促动器7。

半导体激光器增益芯片1的出光方向上依次设有准直透镜2、可旋转的双楔形棱镜3、立方分束器4、可旋转的全介质薄膜法布里-珀罗滤光片5、全反镜6以及压电促动器7；

所述半导体激光器增益芯片1的激射波长为852nm，出光面镀有反射率小于0.01％的Al₂O₃/SiO₂减反膜，另一面镀有反射率大于90％的TiO₂/SiO₂高反膜；

所述准直透镜2为非球面透镜由S-NPH1玻璃材料制成，镀有600nm～1050nm宽带增透膜，数值孔径为0.50～0.65，有效焦距为4.0mm～6.5mm；

所述可旋转的双楔形棱镜3由N-BK7材料制成，表面光滑度典型值为λ/10，镀有650nm～1050nm的增透膜，较薄一侧厚度为3mm，较厚一侧厚度为4.72mm～11.33mm，可旋转的双楔形棱镜3的双棱镜绕光轴旋转，能够使得正入射到棱镜镜片垂直表面的入射光束偏转2°～10°，旋转角度范围为0°～360°；

所述立方分束器4由N-BK7玻璃制成，镀有宽带增透膜和分束膜，应用波长为700nm～1100nm，具有50:50分光比，并且该比值几乎与入射光的偏振状态无关，经过设计使光束偏移最小，单个发射表面还可以防止鬼影的产生；

所述全介质薄膜法布里-珀罗滤光片5透射中心波长为852nm，半高全宽为0.1nm～3.2nm，旋转滤光片能使透射中心波长朝短波长方向移动；

所述全反镜6垂直于所述全介质薄膜法布里-珀罗滤光片5的出射光光路；

所述压电促动器7用于促动全反镜使其可沿自身法线方向移动以调节腔长。

本发明所带来的有益效果如下：

采用双楔形棱镜更容易实现光路对准，同时减少了外腔光路系统的可动部分，能够很好地抑制因振动引起的噪声，可以有效地压窄线宽和稳频。

附图说明

图1：双楔形棱镜的光束控制示意图；

图2：本发明提出的一种外腔激光器结构示意图；

图2中：1、半导体激光器增益芯片，2、准直透镜，3、可旋转的双楔形棱镜，4、立方分束器，5、可旋转的全介质薄膜法布里-珀罗滤光片，6、全反镜，7、压电促动器。

具体实施方式

如图2所示，一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，主要包括半导体激光器增益芯片1和依次置于半导体激光器增益芯片1出光方向上的准直透镜2、可旋转的楔形棱镜对3、立方分束器4、可旋转的全介质薄膜法布里-珀罗滤光片5、全反镜6以及压电促动器7；

下面结合图2介绍实现852nm超窄线宽外腔半导体激光器的方法；

步骤1、采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)外延生长出半导体增益芯片的外延结构，结合光刻、刻蚀、氧化、溅射、镀膜等工艺制备出增益管芯，增益管芯在室温下的激射波长为852nm，出光面镀有反射率小于0.01％的Al₂O₃/SiO₂减反膜，另一面镀有反射率大于90％的TiO₂/SiO₂高反膜；此外，需要结合热电致冷器(TEC)和热敏电阻将增益芯片的工作温度控制在室温下。

步骤2、采用非球面准直透镜准直852nm的激光，准直透镜与增益芯片出光面的距离刚好位于该准直透镜的有效焦距；

步骤3、采用镀有650nm～1050nm增透膜的可旋转双楔形棱镜进行光路对准，棱镜对可以绕光轴旋转使得正入射到棱镜镜片垂直表面的入射光束偏转2°～10°，旋转角度范围为0°～360°，通过分别控制每个棱镜的旋转就能实现激光束转向。

步骤4、采用表面镀有700nm～1100nm宽带增透镀膜的立方分束器作为激光输出耦合器，其分光比为50:50，由N-BK7玻璃制成，边长为20mm，其介质分束膜镀在构成立方体的两个棱镜之一的斜边上，两个棱镜通过粘合剂粘在一起，为了实现50:50的分光比，入射光必须通过镀膜棱镜的一个特定表面。

步骤5、采用全介质薄膜法布里-珀罗滤光片进行外腔选模，其透射中心波长为852nm，峰值透射率大于90％，半高全宽为0.1nm～3.5nm，入射角度为0°±2°，透射中心波长随入射角度的关系如下：

$\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)={\mathrm{\λ}}_0\sqrt{1-{\[\frac{sin\left(\mathrm{\θ}\right)}{n_{eff}}\]}^2}$

其中，λ₀为正入射时对应的波长，θ为滤波片的旋转角，n_eff为滤波片的折射率，λ(θ)为旋转角度θ后对应的波长。

步骤6、采用全反镜提供外腔光反馈，其垂直于所述全介质薄膜法布里-珀罗滤光片出射光的光路；

步骤7、采用压电促动器对全反镜进行致动，压电促动器由带交叉电极的多层压电陶瓷组成，多层设计使它具备高共振频率和亚毫秒级的响应时间，其驱动电压范围为0V～100V，可提供的最大位移为2μm。压电器件的响应时间约为(3f₀)^-1，其中f₀是谐振频率。由于f₀取决于施加的负载，因此响应时间也取决于负载。对于一个给定负载，谐振频率可用下式计算：

$f=f_0\sqrt{\frac{\frac{m}{3}}{\frac{m}{3}+M}}$

式中，f₀是无负载时的谐振频率，m是驱动器的质量，M是负载的质量。虽然响应时间取决于谐振频率，但是PZT的最大速度取决于所用电源的峰值电流。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和构思的前提下作出的任何修改、替换和改进等，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于：该激光器主要包括半导体激光器增益芯片(1)、准直透镜(2)、可旋转的双楔形棱镜(3)、立方分束器(4)、可旋转的全介质薄膜法布里-珀罗滤光片(5)、全反镜(6)、压电促动器(7)；

半导体激光器增益芯片(1)的出光方向上依次设有准直透镜(2)、可旋转的双楔形棱镜(3)、立方分束器(4)、可旋转的全介质薄膜法布里-珀罗滤光片(5)、全反镜(6)以及压电促动器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于：所述半导体激光器增益芯片(1)的激射波长为852nm，出光面镀有反射率小于0.01％的Al₂O₃/SiO₂减反膜，另一面镀有反射率大于90％的TiO₂/SiO₂高反膜。

3.根据权利要求1所述的一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于：所述准直透镜(2)为非球面透镜由S-NPH1玻璃材料制成，镀有600nm～1050nm宽带增透膜，数值孔径为0.50～0.65，有效焦距为4.0mm～6.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于：所述可旋转的双楔形棱镜(3)由N-BK7材料制成，表面光滑度典型值为λ/10，镀有650nm～1050nm的增透膜，较薄一侧厚度为3mm，较厚一侧厚度为4.72mm～11.33mm，可旋转的双楔形棱镜(3)的双棱镜绕光轴旋转，能够使得正入射到棱镜镜片垂直表面的入射光束偏转2°～10°，旋转角度范围为0°～360°。

5.根据权利要求1所述的一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于：所述立方分束器(4)由N-BK7玻璃制成，镀有宽带增透膜和分束膜，应用波长为700nm～1100nm，具有50:50分光比，并且该比值几乎与入射光的偏振状态无关，经过设计使光束偏移最小，单个发射表面还可以防止鬼影的产生。

6.根据权利要求1所述的一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于：所述全介质薄膜法布里-珀罗滤光片(5)透射中心波长为852nm，半高全宽为0.1nm～3.2nm，旋转滤光片能使透射中心波长朝短波长方向移动。

7.根据权利要求1所述的一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于：所述全反镜(6)垂直于所述全介质薄膜法布里-珀罗滤光片5的出射光光路。

8.根据权利要求1所述的一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器，其特征在于：所述压电促动器(7)用于促动全反镜使其可沿自身法线方向移动以调节腔长。

9.依权利要求1所述一种852nm超窄线宽外腔半导体激光器的制作方法，其特征在于：

步骤1、采用金属有机物化学气相淀积外延生长出半导体增益芯片的外延结构，结合光刻、刻蚀、氧化、溅射、镀膜等工艺制备出增益管芯，增益管芯在室温下的激射波长为852nm，出光面镀有反射率小于0.01％的Al₂O₃/SiO₂减反膜，另一面镀有反射率大于90％的TiO₂/SiO₂高反膜；此外，需要结合热电致冷器和热敏电阻将增益芯片的工作温度控制在室温下；

步骤2、采用非球面准直透镜准直852nm的激光，准直透镜与增益芯片出光面的距离刚好位于该准直透镜的有效焦距；

步骤3、采用镀有650nm～1050nm增透膜的可旋转双楔形棱镜进行光路对准，棱镜对可以绕光轴旋转使得正入射到棱镜镜片垂直表面的入射光束偏转2°～10°，旋转角度范围为0°～360°，通过分别控制每个棱镜的旋转就能实现激光束转向；

步骤4、采用表面镀有700nm～1100nm宽带增透镀膜的立方分束器作为激光输出耦合器，其分光比为50:50，由N-BK7玻璃制成，边长为20mm，其介质分束膜镀在构成立方体的两个棱镜之一的斜边上，两个棱镜通过粘合剂粘在一起，为了实现50:50的分光比，入射光必须通过镀膜棱镜的一个特定表面；

步骤5、采用全介质薄膜法布里-珀罗滤光片进行外腔选模，其透射中心波长为852nm，峰值透射率大于90％，半高全宽为0.1nm～3.5nm，入射角度为0°±2°，透射中心波长随入射角度的关系如下：

$\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)={\mathrm{\λ}}_0\sqrt{1-{\[\frac{sin\left(\mathrm{\θ}\right)}{n_{eff}}\]}^2}$

其中，λ₀为正入射时对应的波长，θ为滤波片的旋转角，n_eff为滤波片的折射率，λ(θ)为旋转角度θ后对应的波长；

步骤6、采用全反镜提供外腔光反馈，其垂直于所述全介质薄膜法布里-珀罗滤光片出射光的光路；

步骤7、采用压电促动器对全反镜进行致动，压电促动器由带交叉电极的多层压电陶瓷组成，多层设计使它具备高共振频率和亚毫秒级的响应时间，其驱动电压范围为0V～100V，可提供的最大位移为2μm；压电器件的响应时间约为(3f₀)^-1，其中f₀是谐振频率；由于f₀取决于施加的负载，因此响应时间也取决于负载；对于一个给定负载，谐振频率可用下式计算：

$f=f_0\sqrt{\frac{\frac{m}{3}}{\frac{m}{3}+M}}$

式中，f₀是无负载时的谐振频率，m是驱动器的质量，M是负载的质量；虽然响应时间取决于谐振频率，但是PZT的最大速度取决于所用电源的峰值电流。